一种基于三角函数的改进S曲线加减速控制方法技术

本发明专利技术涉及一种基于三角函数的改进S曲线加减速控制方法，属于运动控制领域，本方法将曲线按照不同的运动特点分阶段，规划过程中通过参数限制和实际情况讨论各阶段是否存在，以获得各阶段的运行时间，进而得到规划后的位移曲线。在传统S曲线加减速的基础上，引入基于三角函数的加加速度控制方法，能够有效的保证加加速度的连续性，最大限度的减小对数控设备造成的冲击。

An improved S curve acceleration and deceleration control method based on trigonometric function

The invention relates to an improved S curve plus deceleration control method based on trigonometric function, which belongs to the field of motion control. This method divides the curves into stages according to different motion characteristics. In the planning process, the existence of each stage is discussed through the parameters limit and the actual situation in order to obtain the running time of each stage, and then the planning is obtained. The displacement curve. On the basis of the addition and deceleration of the traditional S curve, the addition speed control method based on trigonometric function is introduced, which can effectively ensure the continuity of adding speed and minimize the impact on the numerical control equipment.

【技术实现步骤摘要】
一种基于三角函数的改进S曲线加减速控制方法
：本专利技术涉及一种基于三角函数的改进S曲线加减速控制方法，属于运动控制领域。
技术介绍
：加减速控制是数控系统中的关键技术，良好的加减速控制方法可以有效的避免数控设备运动过程中出现的冲击、失步或振动等现象，提高加工精度和表明质量，同时实现数控机床的快速反应，短时间内达到指定速度，缩短加减速时间，提高生产效率。目前数控系统中常用的加减速控制方法有：直线型加减速、指数型加减速、三角函数加减速和S形加减速。直线型加减速算法简单、耗时短，但是加速度曲线不连续，存在速度突变，易出现各种振动和噪声，对数控设运动造成柔性冲击，适用于对运动精度要求不高的低速、低成本的数控系统。指数型加减速算法平滑性比直线型加减速要好，运动精度高，但其加减速起点和终点加速度突变，同样存在柔性冲击。三角函数加减速，主要是利用0-π之间的正弦曲线构建速度曲线，进而实现加速度与加加速度的连续可导，从而达到速度平稳光滑过度的目的，但是由于当前的三角函数加减速为保证速度线型，无法充分发挥数控设备加加速度、加速度最大允许值的性能，造成速度无法在较短时间、距离内达到期望值。也有学者使用三角函数构建加速度和加加速度曲线，通过积分获得速度与位移曲线，同样也存在为保证三角函数线型而无法充分发挥数控设备的性能的问题。S形曲线加减速具有加速度曲线连续、速度曲线光滑等优点，适合高速高精加工场的应用，但目前的S曲线仍存在加加速度的阶跃变化，在阶跃变化的上升沿和下降沿，对数控设备进给系统造成振动和冲击，影响运行平稳性。中国专利文件(申请号201310095677.3)公开了一种用于数控机床的三角函数二阶连续可导加减速算法，结合通用S型加减速曲线算法的优势，提出了改进型的三角函数算法，但该方案在对加加速度处理时，加加速度直接从最大加加速度以三角函数形式降低至0，从开始便有较大冲击，并且加加速度到达最大值时并未维持，加速效率较低，耗时长。从以上分析可知，S曲线加减速与三角函数加减速是采用不同的曲线实现来完成速度的平稳光滑过度。在曲线的连续性上三角函数具有较优的能力，但无法充分发挥数控设备最大加速度、加加速度的性能，执行效率低。而S曲线具有良好的速度光滑性，但加加速度不连续，对数控设备进给系统有振动和冲击。
技术实现思路
：针对现有数控系统使用的加减速控制方法存在的问题，本专利技术的目的是提供一种基于三角函数的改进S曲线加减速控制方法，实现加加速度的连续控制，保证运动过程平稳、无冲击；根据加加速度、加速度、速度和位移之间的积分关系，推导出计算公式，并给出该加减速控制方法的速度规划方法。为实现以上目的，本专利技术的技术方案如下：定义：t为时间，j(t)、a(t)、v(t)、s(t)分别为加加速度、加速度、速度和位移随时间的变化关系，Jcom、acom、vcom分别为数控设备允许最大加加速度、最大加速度和最大速度，vmax为实际能够达到的最大速度，vs为起点速度，ve为终点速度，S为待插补的位移。一种基于三角函数的改进S曲线加减速控制方法，将曲线按照不同的运动特点分阶段，规划过程中通过参数限制和实际情况讨论各阶段是否存在，可以获得各阶段的运行时间，进而可以得到规划后的位移曲线。一种基于三角函数的改进S曲线加减速控制方法，具有与传统S曲线相同的7段式结构，其曲线按时间顺序包括七个阶段，分别是：加加速段L1、匀加速段L2、减加速段L3、匀速段L4、加减速段L5、匀减速段L6和减减速段L7；对应这7个运动阶段，总运动时间T也被分成了7部分，每个阶段对应的时间为：加加速段时间Δt1，Δt1＝t1；匀加速段时间Δt2，Δt2＝t2-t1；减加速段时间Δt3，Δt3＝t3-t2；匀速段时间Δt4，Δt4＝t4-t3；加减速段时间Δt5，Δt5＝t5-t4；匀减速段时间Δt6，Δt6＝t6-t5；减减速段时间Δt7，Δt7＝t7-t6；其中ti为各阶段过渡点的时刻，i＝1,2...,7，Δti为各阶段时间，i＝1,2...,7；(1.1)将L1、L3、L5、L7段的时间分别分割为三部分，tij为分割后过渡点的时刻，i＝1,3,5,7；j＝1,2,3；通过改进传统S曲线在L1、L3、L5、L7段的加加速度变化规律，引入三角函数形式的曲线形式，能够保证加加速度在整个运动过程中的连续性，同时保留匀加加速度段，能够充分发挥数控设备的加减速性能。但引入三角函数之后，L1、L3、L5、L7段的时间将会继续分割，以L1段为例，在进行修改之后，原加加速段时间t1被分割成加加加速段t11、匀加加速段t12-t11和减加加速段t13-t12三部分(t13＝t1，t13所对应的时刻即为分割前t1所指的时刻)。因此致使总时间T被分成15段，大大增加了计算的难度。为简化计算，优选的，步骤(1.1)中，将L1、L3、L5、L7段的时间分别进行三等分分割，设T1为L1、L3段内时间三等分分割之后的分段时间长度，设T2为L5、L7段内时间三等分分割之后的分段时间长度，由于加速度的对称关系，存在如下关系t11＝t12-t11＝t13-t12＝t31-t2＝t32-t31＝t33-t32＝T1，t51＝t52-t51＝t53-t52＝t71-t6＝t72-t71＝t73-t72＝T2(1)。以L1段为例，t11＝t12-t11＝t13-t12＝T1，既能降低计算难度，又能保证存在匀加加速段，充分发挥数控设备的性能。同时有如下关系t13＝t1，t33＝t3，t53＝t5，t73＝t7(2)，t13所对应的时刻即为分割前t1所指的时刻，t33所对应的时刻即为分割前t3所指的时刻，t53所对应的时刻即为分割前t5所指的时刻，t73所对应的时刻即为分割前t7所指的时刻；分割时间段后，其加加速度表达式如下：τij(i＝1,2,..,7；j＝1,2,3)为以各个区间段的起点作为时间零点的时间表示。存在如下关系：τij＝t-tij(i＝1,3,5,7；j＝1,2,3)或τi＝t-ti(i＝2,4,6)(4)上述加加速度与加速度、速度、位移的积分关系如下：根据加加速度与加速度之间的积分关系，可得加速度表达式如下：其中a12＝a11+JcomT1，a32＝a31-JcomT，a52＝a51-JcomT2，a72＝a71+JcomT2。a2为加速段所能达到的最大加速度，后续规划计算中，在不同假设情况下使用aacci(i＝1,2,3,4)表示a2，即aacci＝a2。同理-a6为减速段能达到的最大加速度，后续规划计算中使用adeci(i＝1,2,3,4)表示-a6，即adeci＝(-a2)。根据速度与加速度之间的积分关系，可得速度表达式为：其中v2＝v13+a2(t2-t13)；v6＝v53+a6(t6-t53)；根据速度与位移之间的积分关系，可得位移表达式为：其中s4＝s33+v4(t4-t33)；具体规划包括步骤如下：(2.1)假设能够达到的最大速度为vmax1，且vmax1＝vcom，(2.1.1)加速段时间计算，所述加速段包括加加速段L1、匀加速段L2、减加速段L3；首先分析匀加速段L2的存在性，假设加速段实际能够达到的最大加速度aacc1为数控设备允许的最大加速度acom，即aacc1＝ac本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于三角函数的改进S曲线加减速控制方法，其特征在于，将曲线按照不同的运动特点分阶段，规划过程中通过参数限制和实际情况讨论各阶段是否存在，以获得各阶段的运行时间，进而得到规划后的位移曲线。

【技术特征摘要】
1.一种基于三角函数的改进S曲线加减速控制方法，其特征在于，将曲线按照不同的运动特点分阶段，规划过程中通过参数限制和实际情况讨论各阶段是否存在，以获得各阶段的运行时间，进而得到规划后的位移曲线。2.根据权利要求1所述的基于三角函数的改进S曲线加减速控制方法，其特征在于，其曲线按时间顺序包括七个阶段，分别是：加加速段L1、匀加速段L2、减加速段L3、匀速段L4、加减速段L5、匀减速段L6和减减速段L7；每个阶段对应的时间为：加加速段时间Δt1，Δt1＝t1；匀加速段时间Δt2，Δt2＝t2-t1；减加速段时间Δt3，Δt3＝t3-t2；匀速段时间Δt4，Δt4＝t4-t3；加减速段时间Δt5，Δt5＝t5-t4；匀减速段时间Δt6，Δt6＝t6-t5；减减速段时间Δt7，Δt7＝t7-t6；其中ti为各阶段过渡点的时刻，i＝1,2...,7，Δti为各阶段时间，i＝1,2...,7；(1.1)将L1、L3、L5、L7段的时间分别分割为三部分，tij为分割后过渡点的时刻，i＝1,3,5,7；j＝1,2,3；(2.1)假设能够达到的最大速度为vmax1，且vmax1＝vcom，(2.1.1)加速段时间计算，所述加速段包括加加速段L1、匀加速段L2、减加速段L3；首先分析匀加速段L2的存在性，假设加速段实际能够达到的最大加速度aacc1为数控设备允许的最大加速度acom，aacc1＝acom(11)根据加加速度与加速度的积分关系，以及加加速段、减加速段的时间等分关系，可获得下式：3T1＝Δt1(13)；联立(12)-(13)，可获得加加速段时间且存在关系Δt1＝Δt3(15)；假设匀加速段L2不存在时，仅通过加加速段和减加速段，根据速度关系，速度增量为Δv＝aacc1Δt1(16)通过比较速度增量Δv与(vmax1-vs)的关系，可知匀加速段L2的存在性，判断如下：(2.1.1.a)Δv＜(vmax-vs)此时说明存在匀加速段L2，匀加速段的时间为：(2.1.1.b)Δv＝(vmax-vs)此时说明无匀加速段L2；(2.1.1.c)Δv＞(vmax-vs)此时说明不存在匀加速段L2，且需要重新计算加加速段L1和减加速段L3的时间，由速度关系可得此时加速段实际能够达到的最大加速度为加速段运动位移为(2.1.2)减速段时间计算，所述减速段包括加减速段L5、匀减速段L6和减减速段L7；减速段的处理方式与加速段相同，通过上述算法获得减速段各段时间Δt5、Δt6、Δt7：先分析匀减速段L6的存在性，假设减速段实际能够达到的最大加速度adec1为数控设备允许的最大加速度acom，根据加加速度与加速度的积分关系，以及加减速段、减减速段的时间等分关系，可求得Δt5，Δt7＝Δt5；假设匀减速段L6不存在，仅通过加减速段和减减速段，根据速度关系，速度增量为Δv＝aacc1Δt1，通过比较速度增量Δv与vmax-ve的关系，可知匀减速段L6的存在性，进而求出三种不同情况的Δt5、Δt6、Δt7)；减速段位移为(2.1.3)匀速段时间计算根据速度与位移的积分关系，可推导出加速段与减速段的运动总位移为：S1＝Sacc1+Sdec1(22)，通过比较S1与给定的待插补位移S的关系可知匀速段的存在性，如下：(2.1.3.a)S1＜S此时存在匀速段，匀速段时间为至此，所有的7段的时间规划已经完成，实际能够达到的最大速度为vmax1＝vcom，结束计算；(2.1.3.b)S1＝S此时存在匀速段不存在，匀速段时间Δt4＝0(24)至此，所有的7段的时间规划已经完成，实际能够达到的最大速度为vmax1＝vcom，结束计算；(2.1.3.c)S1＞S此时说明假设的最大速度vmax1大于实际所能达到的最大速度vmax，需要继续减小vmax1，进入(2.2)；(2.2)假设能够达到的最大速度为vmax2，且vmax2为vs与ve中的较大者进行不包含匀加速段的加速过程所能达到的速度；此时不存在匀速段，即Δt4＝0；设定vs≥ve；(2.2.1)加速段时间计算对于加速段，根据(2.2)假设条件，不存在匀加速段，即Δt2＝0；能够到达的加速度aacc2为数控设备允许的最大加速度acom，aacc2＝acom(25)；根据加速度关系，加加速段与减加速段时间相等，即Δt1＝Δt3，有求得加加速段和减加速段时间为根据速度关系，得最大速度为vmax2＝aacc2×Δt1+vs(28)比较vmax2与vcom的关系，如下：(2.2.1.a)vmax2＞vcom此时说明假设的最大速度大于实际所能达到的最大速度，若vs＞ve，进入(2.3)；若vs＝ve，进入(2.4)；(2.2.1.b)vmax2≤vcom此时说明假设最大速度可能是满足条件的，继续进行计算；由位移条件，加速段位移为进入(2.2.2)；(2.2.2)减速段时间计算ve≤vs，因此减速段实际能够达到的最大加速度adec2为数控设备允许的最大加速度acom，adec2＝acom(30)减减速段与加减速段时间为如果ve＜vs，则存在匀减速段，有adec(Δt5+Δt6)＝vmax2-ve(32)则匀减速段时间为如果ve＝vs，则不存在匀减速段，匀减速段时间Δt6＝0；由位移关系，减速段位移为判断Sacc2+Sdec2与给定的待插补距离S的关系，如下：(2.2.2.a)Sacc2+Sdec2＝S此时说明假设的最大速度vmax2恰好为实际能够达到的最大速度vmax，所有7段时间都已经计算完成，结束计算；(2.2.2.b)Sacc2+Sdec2＞S此时说明假设的最大速度vmax2仍然大于实际能够达到的最大速度vmax，进入(2.3)；(2.2.2.c...

【专利技术属性】
技术研发人员：张承瑞，袁佶鹏，倪鹤鹏，姬帅，胡天亮，刘亚男，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东,37